一種插箱等效器的製作方法

2023-06-23 19:44:46

專利名稱：一種插箱等效器的製作方法
技術領域：
本發明屬於太空飛行器測試技術領域，涉及一種在太空飛行器測試系統中用於模擬各種設 備插箱工作狀態的插箱等效器。
背景技術：
太空飛行器(如衛星、飛船等)在設計完成交付使用之前，需要對其中安裝的各種軟硬 件設備和分系統進行自檢和測試，確定各組成部件能夠正常工作，達到設計要求。太空飛行器中的各種插箱是重要的被檢測對象。但如果直接對插箱本身進行檢測，成 本太高且不方便。因此通常採用模擬仿真的檢測方法。根據太空飛行器地面測試的要求，地面測試系統應提供一個真實的測試仿真環境，完 成各類設備自身性能的測試及與各種設備間的聯合匹配性測試。這就需要一種能夠模擬出 插箱各種功能、功耗、接口等特徵的裝置，用於模擬仿真其性能。

發明內容
本發明提出了一種插箱等效器，能夠模擬出太空飛行器中插箱的各種功能、功耗、接口 等特徵，即能夠模擬出太空飛行器插箱的真實工作狀態。該插箱等效器能夠模擬真實的太空飛行器插箱外形及機械接口，模擬插箱的功耗以及 遙測、程控功能，模擬插箱進行1394網絡數據通訊(如指令、數據注入，數字量遙測、試驗數 據)等。為實現上述目的。本發明所採用的技術方案如下一種用於太空飛行器地面測試系統的插箱等效器，該插箱等效器的外形和所提供的機 械接口均模擬真實的太空飛行器插箱；該插箱等效器包括中央處理控制單元、現場可編程門 陣列FPGA晶片、1394功能模塊、網絡功能模塊、程控指令模塊、遙測信號模塊、負載模塊以 及電源模塊；中央處理控制單元與遙測信號模塊相連，通過FPGA晶片與1394功能模塊、網絡功 能模塊和程控指令模塊相連；電源模塊與中央處理控制單元、1394功能模塊、網絡功能模 塊、程控指令模塊、遙測信號模塊和負載模塊分別相連；負載模塊，通過電源模塊的供電，真實模擬太空飛行器插箱的實際功耗。功耗模擬可以 通過對大功率電阻上電實現。FPGA晶片實現中央處理控制單元與1394功能模塊、網絡功能模塊、程控指令模塊 的接口功能；程控指令模塊，提供程控接口，用於通過程控接口接收地面測試系統發出的程控 指令，並通過FPGA晶片將程控指令發送給中央處理控制單元。為了避免指令傳輸受到線路影響，程控指令進入程控指令模塊之前，可以進一步 用光耦模塊對程控指令進行光電隔離。網絡功能模塊，提供網絡總線接口，用於通過網絡總線接口與地面測試系統進行通信，接收來自地面測試系統的設置指令，將所接收的設置指令通過FPGA晶片發送給中央 處理控制單元；1394功能模塊，提供與真實太空飛行器中的1394總線接口具有相同電氣特徵和機械 特性的1394總線接口，通過1394總線接口實現插箱等效器與地面測試系統的通訊；將來自 地面測試系統的1394總線控制指令和1394數據通過FPGA晶片發送給中央處理控制單元， 將來自中央處理控制單元的總線指令執行狀態或數據接收狀態回傳給地面測試系統；在中 央處理控制單元的控制下，向地面測試系統發送數字量遙測數據，向地面測試系統發送設 定內容的1394試驗數據；中央處理控制單元，控制本插箱等效器中各模塊的協同工作接收來自程控指令 模塊的程控指令，並執行相應處理；根據來自網絡功能模塊的設置指令，進行工作狀態設置 操作；在設置的工作狀態下，通過1394功能模塊向地面測試系統發送設定內容的1394試驗 數據；接收來自1394功能模塊的1394總線控制指令和1394數據，並進行響應；遙測信號模塊，提供與真實太空飛行器中的遙測接口具有相同電氣特徵和機械特性的 遙測接口，在中央處理控制單元的控制下，模擬並通過遙測接口輸出遙測信號的模擬量；電源模塊，將插箱等效器的供電電壓轉換為插箱等效器中各組成模塊的工作電 壓，為插箱等效器的各組成模塊供電。該插箱等效器進一步包括串口功能模塊，作為網絡功能模塊的備份，實現與主控 計算機通信。該插箱等效器進一步包括測溫電阻，測溫電阻安裝在本插箱等效器內部上表面的 中間，測溫電阻的兩端引出插箱等效器，形成測溫電阻接口。其中，上述網絡功能模塊接收的設置指令包括1394樣本包設置指令；那麼，中央處理控制單元輸出1394試驗數據時，將1394樣本包設置指令中的1394 樣本包內容作為1394試驗數據的內容。上述網絡功能模塊接收的設置指令還可以包括傳輸速率設置指令、連續發送指 令、開始發送指令、停止發送指令；那麼，當中央處理控制單元接收到連續發送指令時，控制1394功能模塊按照設定 好的傳輸速率連續發送設定好的1394樣本包給地面測試系統；當中央處理控制單元接收到開始發送指令和停止發送指令時，控制1394功能模 塊在開始發送指令到來時，按照設定好的傳輸速率連續發送設定好的1394樣本包給地面 測試設備，在停止發送指令到來時，停止發送。由以上所述可以看出，本發明具有如下有益效果本發明的插箱等效器具有與真實太空飛行器插箱相同的外形，因此該插箱等效器可以 插入地面測試系統的機櫃中，從而接受地面測試系統的測試。該插箱等效器中具有負載模塊，該模塊能夠模擬插箱工作時因器件發熱引起的溫 度變化，插箱等效器對功耗的模擬不僅可以為地面測試系統提供真實的溫度環境，從而令 地面測試系統進行熱循環測試，更重要的是，還可以測試插箱等效器中各通信模塊的在高 溫環境下的耐受性。由於高溫還可能引起電子元件的相互幹擾，因此對溫度環境的模擬還 可以測試各通信模塊相互幹擾性和匹配性，從而在更為真實的環境下實現對插箱等效器的 測試。
插箱等效器機械接口以及遙測功能、1394網絡數據通訊功能也模擬真實插箱，因 此本插箱等效器能夠模擬出太空飛行器插箱的真實工作狀態。將該插箱等效器還專為地面測試 系統提供了多種測試接口，包括網絡接口、串行接口，使得插箱等效器能夠在測試過程中接 受地面測試系統的各種控制指令，且多個測試接口相互備份，確保插箱能夠有效接收地面 測試設備的控制指令。本插箱等效器應用在地面測試系統中，能夠協助地面測試設備完成各類設備自身 性能的測試及與各種設備間的聯合匹配性測試。


圖1為本發明優選實施方式的結構組成框圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的優選實施方式做進一步詳細說明。本發明提供了一種插箱等效器，其需要模擬的具體功能包括a、模擬真實插箱的外型及機械接口 ；b、模擬插箱功耗；C、模擬插箱的遙測、程控功能；d、按照總線協議模擬插箱進行1394網絡數據通訊(指令、數據注入、數字量遙測、 高速等時數據)；e、提供用於系統聯試的網絡接口，可接收來自地面測試系統中主控計算機的指 令、數據流等。為了實現上述功能，本發明插箱等效器的外形和機械接口均模擬真實的太空飛行器插 箱進行設置。該插箱等效器包括中央處理控制單元、現場可編程門陣列(FPGA)晶片、1394 功能模塊、網絡功能模塊、串口功能模塊、程控指令模塊、遙測信號模塊、負載模塊以及電源 模塊。上述各模塊的連接關係為中央處理控制單元與遙測信號模塊相連，並通過FPGA 晶片與1394功能模塊、網絡功能模塊和程控指令模塊相連；電源模塊與中央處理控制單 元、1394功能模塊、網絡功能模塊、程控指令模塊、遙測信號模塊和負載模塊分別相連。下面針對各模塊進行詳細描述。(1)負載模塊負載模塊通過電源模塊的供電，真實模擬太空飛行器插箱的實際功耗。該負載模塊是 本插箱等效器的重要組成部分。由於負載模塊的存在，使得插箱等效器可以模擬插箱工作 時因器件發熱引起的溫度變化。該插箱等效器對功耗的模擬不僅可以為地面測試系統提供真實的溫度環境，從而 輔助地面測試系統進行熱循環測試，更重要的是，對功耗的模擬還可以測試插箱等效器中 各通信模塊的在高溫環境下的耐受性。由於高溫還可能引起電子元件的相互幹擾，因此對 溫度環境的模擬更可以測試各通信模塊相互幹擾性和匹配性，從而在更為真實的環境下實 現對插箱等效器的測試。負載模塊可以採用大功率電阻實現，通過選擇合適的電阻值，並對大功率電阻上電，從而模擬插箱的實際功耗。對負載模塊的供電電源和電源的輸入輸出接口與太空飛行器設 備插箱接口一致。大功率電阻阻值和供電電源的配置根據太空飛行器中真實插箱功耗進行具體 設置。(2) FPGA 晶片中央處理單元經FPGA晶片實現對1394功能模塊、程控指令模塊以及網絡功能模 塊的控制。FPGA晶片要求邏輯門數不小於30萬，工作速度不得低於IOOMHz。可選用Xilinx 公司的XCV300型號晶片。(3)程控指令模塊程控指令模塊，提供一個或多個程控接口，用於通過程控接口接收地面測試系統 發出的程控指令，並通過FPGA晶片將程控指令發送給中央處理控制單元。程控指令例如包 括開關機指令。則中央處理控制單元接收到開關機指令後控制電源模塊對本插箱等效器進 行上電和斷電處理。在實際中，程控指令模塊可以包括兩個程控接口，一個提供供電線，另一個提供指 令線。電源線指的是正端，一般用+28V，指令電路用的OC門電路，在指令接收瞬間指令線可 以理解為指令源的地線。為了增強插箱等效器的安全性，在程控指令進入程控指令模塊之前，對其進行光 電隔離，隔離後將程控指令經過FPGA晶片發送至中央處理控制單元進行處理。(4)網絡功能模塊網絡功能模塊，提供網絡總線接口，用於通過網絡總線接口與地面測試系統進行 通信，接收來自地面測試系統的設置指令和數據，將所接收的設置指令和數據通過FPGA芯 片發送給中央處理控制單元。本網絡功能模塊提供的網絡總線接口可以為乙太網接口或RS485接口等。地面測 試系統通過網絡總線接口對插箱等效器的工作狀態進行設置，例如設置1394樣本包(即插 箱等效器輸出的1394等時數據)、設置遙測數據、設置傳輸方式，例如傳輸速率、是否連續 傳輸、開始時間和停止時間等等。該網絡功能模塊包括網絡控制晶片、物理層晶片和網絡接口。其中，網絡控制晶片要求能夠支持通用的I/O 口以及I2C總線，能夠支持地址解析 協議(ARP)、英特網控制消息協議(ICMP)、IPV4、傳輸控制協議(TCP)、用戶數據協議(UDP)、 超文本傳輸協議(HTTP)、簡單文件傳輸協議(TFTP)、動態主機設置協議(DHCP)和簡單網絡 管理協議(SNMP)等協議。例如，可選用愛普生(EPSON)公司的S1S60000晶片。物理層晶片作為媒體獨立接口(MII)，能夠採用10BASE-T/全雙工、10BASE-T/半 雙工、100BASE-T/半雙工等不同的工作方式中的任意一種。例如，可選用ICS1893Y-10型芯 片。(5) 1394 功能模塊1394功能模塊，提供1394總線接口，該1394總線接口模擬太空飛行器中真實1394接 口的電氣特徵和機械特性，通過1394總線接口實現插箱等效器與地面測試系統的通訊。具 體功能包括①該1394功能模塊通過1394總線將來自地面測試系統的1394總線控制指令和 1394數據通過FPGA晶片發送給中央處理控制單元，將來自中央處理控制單元的總線指令執行狀態或數據接收狀態回傳給地面測試系統；②在中央處理控制單元的控制下，通過1394總線向地面測試系統發送數字量遙 測數據。發送遙測數據採用異步通訊方式。③在中央處理控制單元的控制下，通過1394總線向地面測試系統發送試驗數據。 發送試驗數據採用等時通訊方式。④接收來自1394總線的時間廣播和所有網絡廣播信息，並發送給試驗數據進行 相應處理。該1394功能模塊包括鏈路層控制器、物理層控制器、電壓轉換器和1394插頭。其中，鏈路層控制器要能夠支持串行總線IEEE-1394-1995標準、發送和接收1394 數據包、支持同步數據傳輸、能夠產生和檢查32位循環冗餘校驗(CRC)、帶有DM 口、能夠提 供3個完全兼容的傳輸速率為100、200或400Mb/s的線纜埠、16位數據總線計算機接口、 具備CPU中斷功能。可採用TSB12LV32-EP型處理晶片。物理層控制器要求支持串行總線IEEE-1394-1995標準和1394a標準，同時能夠提 供3個完全兼容的傳輸速率為100、200或400Mb/s的線纜埠。可採用TSB41AB3-EP型芯 片。中央處理控制單元經FPGA晶片實現對鏈路層控制器的控制，完成1394總線的等 時業務和異步業務。鏈路層控制器分別同FPGA晶片和物理層控制器相連。物理層控制器 同1394插頭相連。鏈路層控制器同FPGA晶片相連。1394插頭連接地面測試系統的1394 總線控制器。由於鏈路層控制器、物理層控制器、FPGA晶片所使用的電壓為+3. 3V，因此要 通過電源轉換器將外部的電壓轉換為3. 3V的工作電壓，提供給上述三個組成部件使用。(6)中央處理控制單元中央處理控制單元是插箱等效器的核心單元，控制本插箱等效器中各模塊的協同 工作，具體功能包括接收來自程控指令模塊的程控指令，並執行相應處理；根據來自網絡 功能模塊的設置指令，進行工作狀態設置操作；在設置的工作狀態下，通過1394功能模塊 向地面測試系統發送設定內容的1394試驗數據；接收來自1394功能模塊的1394總線控制 指令和1394數據，並進行響應。網絡功能模塊接收的設置指令可以包括1394樣本包的設置指令、傳輸速率設置 指令、連續發送指令、開始發送指令、停止發送指令，等等。當中央處理控制單元接收到連續 發送指令時，控制1394功能模塊按照設定好的傳輸速率連續發送設定好的1394樣本包給 地面測試系統。當中央處理控制單元接收到開始發送指令和停止發送指令時，控制1394功 能模塊在開始發送指令到來時，按照設定好的傳輸速率連續發送設定好的1394樣本包給 地面測試設備，在停止發送指令到來時，停止發送。實際上，傳輸方式的設置指令還可以通過1394功能模塊進入中央處理控制單元。中央處理控制單元可以採用數字處理器(DSP)為核心，與軟體配合構成單元整 體。DSP採用不小於32位的DSP處理器；外部配置存儲容量不少於512MB的隨機存取存儲器 (RAM)；具備12位數模轉換模塊，2*8通道的輸入多路選擇器，單路轉換周期60ns ；其外部 存儲器接口最大能夠擴展1MB的尋址空間；帶有至少2個標準通用異步接收/發送(UART) 接口 ；集成有快速中斷管理單元。例如，可採用TI公司的TMS320C28X系列DSP晶片。同 時，在處理器內部集成看門狗電路，可在程序中設置看門狗的復位時間，從而在程序錯誤時發出復位信號強制系統復位。(7)遙測信號模塊遙測信號模塊，提供與真實太空飛行器中的遙測接口具有相同電氣特徵和機械特性的 遙測接口，該模塊在中央處理控制單元的控制下，模擬並輸出用於表徵太空飛行器中各種設備 插箱工作狀態的遙測信號的模擬量。遙測信號模塊與地面測試系統採用導線直連，因此輸 出的遙測信號為模擬量。該模塊採用電路實現，本遙測信號模塊的遙測輸出量可以通過外部的地面測試系 統中主控計算機進行設定和改變。例如本模塊可以採用MAX525型晶片實現。那麼，MAX525採用串行外設接口(SPI) 方式和DSP通信。(8)串口功能模塊該模塊作為網絡功能模塊的備份，提供多個485通信埠。由於中央處理控制單 元帶有至少2個標準的UART接口，經過UART的接口晶片將需要傳送給外部的地面測試系 統中主控計算機的數據轉換成兩路RS-485輸出。該串口功能模塊為不是必要組成。(9)電源模塊該模塊將插箱等效器的供電電壓轉換為插箱等效器中各組成模塊的工作電壓，為 插箱等效器中各組成模塊供電。假設插箱等效器的供電為28V，則經過直流到直流(DC/DC)的變換，得到等效器內 各類晶片的供電電壓，有12V、5V、3. 3V、2. 5V、1. 8V等。(10)測溫電阻該插箱等效器進一步包括測溫電阻，測溫電阻安裝在本插箱等效器內部上表面的 中間，測溫電阻的兩端引出插箱等效器，形成測溫電阻接口。那麼地面測試系統就可以通過 測試電阻採集插箱等效器的溫度，從而進行降溫處理。本插箱等效器的工作過程如下首先，啟動電源模塊為系統各模塊上電。上電時，電源輸入為+28V，通過電壓轉換 產生中央處理控制單元、網絡功能模塊、串口功能模塊、程控指令模塊、遙測信號模塊、1394 功能模塊和負載模塊中各類控制晶片所需的12V、5V、3. 3V、2. 5伏、1. 8V等電壓。當上電後，負載模塊中的大功率電阻加電，開始模擬設備插箱的功耗，模擬數據還 可以直接通過負載模塊的數字表頭顯示。地面測試系統通過網絡功能模塊或者串口功能模塊，發送指令給中央處理控制單 元。中央處理控制單元驅動遙測信號模塊輸出遙測信號模擬量給主控計算機，也可直接通 過遙測信號模塊的數字表頭顯示，或者驅動1394功能模塊輸出遙測信號數字量發送給地 面測試系統。遙測信號模塊的遙測輸出量可以通過外部的地面測試系統進行設定和改變， 遙測數據的設置通道可以為地面測試系統與網絡功能模塊之間的網絡總線，也可以為地面 測試系統與1394功能模塊之間的1394總線。地面測試系統發送兩路程控指令信號給程控指令模塊，程控指令模塊使用光電耦 合器對這兩路信號進行光電隔離，隔離後將兩路信號經過FPGA晶片發送至中央處理控制 單元進行處理。地面測試系統發送1394總線指令給1394功能模塊。1394功能模塊通過FPGA晶片把1394總線指令發送給中央處理控制單元進行處理。中央處理控制單元根據1394總線 指令進行等時通信或異步通信。 綜上所述，以上僅為本發明的較佳實施例而已，並非用於限定本發明的保護範圍。 凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的 保護範圍之內。
權利要求
一種用於太空飛行器地面測試系統的插箱等效器，其特徵在於，該插箱等效器的外形和所提供的機械接口均模擬真實的太空飛行器插箱；該插箱等效器包括中央處理控制單元、現場可編程門陣列FPGA晶片、1394功能模塊、網絡功能模塊、程控指令模塊、遙測信號模塊、負載模塊以及電源模塊；中央處理控制單元與遙測信號模塊相連，通過FPGA晶片與1394功能模塊、網絡功能模塊和程控指令模塊相連；電源模塊與中央處理控制單元、1394功能模塊、網絡功能模塊、程控指令模塊、遙測信號模塊和負載模塊分別相連；負載模塊，通過電源模塊的供電，真實模擬太空飛行器插箱的實際功耗；FPGA晶片實現中央處理控制單元與1394功能模塊、網絡功能模塊、程控指令模塊的接口功能；程控指令模塊，提供程控接口，用於通過程控接口接收地面測試系統發出的程控指令，並通過FPGA晶片將程控指令發送給中央處理控制單元；網絡功能模塊，提供網絡總線接口，用於通過網絡總線接口與地面測試系統進行通信，接收來自地面測試系統的設置指令，將所接收的設置指令通過FPGA晶片發送給中央處理控制單元；1394功能模塊，提供與真實太空飛行器中的1394總線接口具有相同電氣特徵和機械特性的1394總線接口，通過1394總線接口實現插箱等效器與地面測試系統的通訊；將來自地面測試系統的1394總線控制指令和1394數據通過FPGA晶片發送給中央處理控制單元，將來自中央處理控制單元的總線指令執行狀態或數據接收狀態回傳給地面測試系統；在中央處理控制單元的控制下，向地面測試系統發送數字量遙測數據，向地面測試系統發送設定內容的1394試驗數據；中央處理控制單元，控制本插箱等效器中各模塊的協同工作接收來自程控指令模塊的程控指令，並執行相應處理；根據來自網絡功能模塊的設置指令，進行工作狀態設置操作；在設置的工作狀態下，通過1394功能模塊向地面測試系統發送設定內容的1394試驗數據；接收來自1394功能模塊的1394總線控制指令和1394數據，並進行響應；遙測信號模塊，提供與真實太空飛行器中的遙測接口具有相同電氣特徵和機械特性的遙測接口，在中央處理控制單元的控制下，模擬並通過遙測接口輸出遙測信號的模擬量；電源模塊，將插箱等效器的供電電壓轉換為插箱等效器中各組成模塊的工作電壓，為插箱等效器的各組成模塊供電。
2.如權利要求1所述的插箱等效器，其特徵在於，該插箱等效器進一步包括串口功能 模塊，作為網絡功能模塊的備份，實現與主控計算機通信。
3.如權利要求1所述的插箱等效器，其特徵在於，該插箱等效器進一步包括測溫電阻， 測溫電阻安裝在本插箱等效器內部上表面的中間，測溫電阻的兩端引出插箱等效器，形成 測溫電阻接口。
4.如權利要求1所述的插箱等效器，其特徵在於，所述負載模塊中包括大功率電阻，通 過對大功率電阻上電模擬插箱的實際功耗。
5.如權利要求1或4所述的插箱等效器，其特徵在於，程控指令進入程控指令模塊之 前，進一步用光耦模塊對程控指令進行光電隔離。
6.如權利要求1所述的插箱等效器，其特徵在於，所述1394功能模塊進一步用於通過1394總線接收來自地面測試系統的設置指令，將所接收的設置指令通過FPGA晶片發送給 中央處理控制單元。
7.如權利要求1或6所述的插箱等效器，其特徵在於，網絡功能模塊接收的設置指令包 括1394樣本包設置指令；中央處理控制單元輸出1394試驗數據時，將1394樣本包設置指令中的1394樣本包內 容作為所述1394試驗數據的內容。
8.如權利要求1或6所述的插箱等效器，其特徵在於，網絡功能模塊接收的設置指令包 括傳輸速率設置指令、連續發送指令、開始發送指令、停止發送指令；當中央處理控制單元接收到連續發送指令時，控制1394功能模塊按照設定好的傳輸 速率連續發送設定好的1394樣本包給地面測試系統；當中央處理控制單元接收到開始發送指令和停止發送指令時，控制1394功能模塊在 開始發送指令到來時，按照設定好的傳輸速率連續發送設定好的1394樣本包給地面測試 設備，在停止發送指令到來時，停止發送。
全文摘要
本發明公開了一種插箱等效器，其模擬的具體功能包括a、模擬真實插箱的外型及機械接口；b、模擬插箱功耗；c、模擬插箱的遙測、程控功能；d、按照總線協議模擬插箱進行1394網絡數據通訊；e、提供用於系統聯試的網絡接口，可接收來自地面測試系統中主控計算機的指令、數據流等。由於本發明插箱等效器模擬出插箱各種功能、功耗、接口等特徵，因此能夠為地面測試提供一種真實太空飛行器插箱的仿真設備。
文檔編號G01R31/00GK101900772SQ201010202360
公開日2010年12月1日 申請日期2010年6月18日 優先權日2010年6月18日
發明者劉梅, 王樹民, 郝建偉, 雍國富 申請人:中國航天科技集團公司第五研究院第五一三研究所